高分辨率城市气溶胶光学厚度遥感反演及其应用研究

发布时间：2020-09-28 17:11

　　随着近年来我国城市化与工业化的快速迅猛发展,生态环境问题日益突出,其中大气污染问题尤为显著。PM2.5“爆表”、灰霾等极端大气污染事件日益频发,其影响范围之广、持续时间之长、污染浓度之高,引发国内国际社会广泛关注。卫星遥感由于具有获取成本低、重访周期短、覆盖范围广等技术特点,是监测大气污染主要参数时空分布及其动态变化的重要技术手段。虽然MODIS、MISR、VIIRS、TOMS等卫星传感器均提供全球气溶胶产品,但是全球气溶胶产品空间分辨率往往不高(从数公里到数十公里),作用地表类型有限,反演算法缺乏区域优化和验证,并且在灰霾等极端天气条件下反演效率比较低下。以上诸多因素使得现有全球气溶胶产品在区域尺度大气环境应用研究中受到较大限制。中国于2013年4月成功发射的高分一号卫星,搭载有4台宽视场多光谱相机,可提供从可见光到近红外四个波段的多光谱影像数据,具备16米空间分辨率和4天的重访周期,是高分辨率气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)反演的理想数据源。本论文主要围绕高分一号卫星传感器数据气溶胶光学厚度反演算法及其产品应用展开相关研究工作,论文中取得的主要成果体现在如下几个方面:(1)针对GF-1WFV传感器数据的高分辨率气溶胶光学厚度反演算法区域气溶胶类型确定和地表反射率估计是气溶胶光学厚度遥感反演的两大关键问题。本论文通过对2008-2012年武汉地区CE-318太阳光度计气溶胶观测数据进行统计分析,确定区域气溶胶类型;通过采用时空同步的MODISAOD产品辅助进行晴空清洁日GF-1 WFV影像的筛选和背景气溶胶校正,然后利用最小反射率技术对清洁日GF-1 WFV影像按季节进行合成,最后构建得到武汉地区高空间分辨率地表反射率库。获取得到区域气溶胶类型和地表反射率库后,结合6S大气辐射传输模型所生成的查找表,实现了 GF-1 WFV数据气溶胶光学厚度反演。GF-1 WFV AOD反演结果具有160米空间分辨率和最高4天的时间分辨率,无云条件下可实现武汉地区所有陆地表面类型的AOD反演,并一定程度上具备在灰霾天气条件下反演AOD的能力。GF-1 WFV AOD反演结果与MODIS AOD产品相比,相关系数R2达到0.66,均方根误差RMSE为0.27;与地面站点观测数据相比,R2达到0.8,RMSE为0.25。验证结果表明,GF-1 WFV AOD反演算法具备较好的稳定性以及较高的精度。(2)基于GF-1 WFV A0D数据武汉地区AOD时空分布规律分析利用2013-2016年武汉地区所有GF-1 WFV AOD反演结果(共计157景影像),对该地区AOD时空分布规律进行了相关分析。针对本地性和输移性气溶胶的不同时空分布特征,提出了本地气溶胶光学厚度(Local Aerosol Optical Depth,LAOD)的概念,用于表征本地人为活动导致的气溶胶负载量。利用LAOD分析了武汉地区人为气溶胶排放的年度和季度时空分布特征。从年度上来看,武汉地区LAOD最高的年份为2013和2015年,LAOD区域平均值分别为0.42和0.40;2016年LAOD最低,平均值约为0.32。从季度上来看,冬季LAOD值最高,区域平均值达到0.37;其次为秋季和春季,LAOD区域平均值分别为0.29和0.28;夏季LAOD最低(0.23)。LAOD季节变化规律与地面站点PM2.5统计结果保持一致。利用LAOD进一步对武汉市大气污染热点区域进行了识别分析,武汉中心市区和近郊工业园区LAOD区域平均值超过武汉地区整体平均值24%以上,是武汉地区大气污染的重要来源。此外,根据城市地区LAOD显著高于周边其它类型区域的现象,提出了城市气溶胶效应的概念(类似于热岛效应),用于表征城市人为活动对区域大气污染的贡献,并以城区和周边其他类型区域LAOD的差值来表征城市气溶胶效应强度。城市气溶胶效应强度从2013到2016年呈现逐年下降的趋势(-0.009 year-1,P0.05),与年度 PM2.5 浓度变化趋势一致(-9.89μg/m3 year-1,P0.01)。(3)武汉地区高分辨率PM2.5空间分布遥感估算利用2013-2016年武汉GF-1 WWFV AOD数据与地面PM2.5监测站点数据,根据PM2.5-AOD关系随时间变化的特点构建了对应的线性混合模型。该模型的预测精度较高,相关系数R2达到0.939,均方根误差RMSE为14.0,平均相对误差MRE为11.7%。研究中加入了气温、相对湿度、降雨量、风速等气象要素数据参与建模,发现气象要素对模型精度提高帮助不大;同时考虑了站点效应对模型的影响,发现考虑站点效应的模型预测值与实测值R2达到0.95,相比模型预测精度有小幅度提升。对模型进行了站点交叉验证和十折交叉验证,交叉验证结果相比模型预测结果精度有所下降,但是下降幅度较小,表明所构建的模型具备一定的稳定性。研究最后基于所构建的线性混合模型对武汉地区PM2.5进行了遥感反演,得到160米分辨率PM2.5空间分布结果,进一步对不同大气污染条件下PM2.5空间分布特征进行了分析,并统计分析了 2013-2016年武汉地区平均PM2.5空间分布状况。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X513;X87
【部分图文】：

大气污染物,全球,观测范围,地面观测

ｅｔ邋ａｌ．，２０１４；邋Ｈｕａｎｇ，邋Ｒ，邋ｅｔ邋ａｌ．邋，２０１４；邋Ｍａ，邋Ｚ邋Ｗ，邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１６；邋Ｔａｏ，邋Ｍ，邋ｅｔ逡逑ａｌ．，２０１６），其影响范围之广、持续时间之长、污染浓度之高，引发国内国际社会逡逑广泛关注。监测资料表明，中国己成为世界大气污染最严重的地区之一（图１－逡逑１）。以主要大气污染物ＰＭ２．邋５为例，２００１－２０１０年中国平均人口加权ＰＭ２．邋５浓度逡逑达到４５．邋７叫／ｍ３，近乎两倍于全球平均值２６．邋４Ｕｇ／ｍ３，远超世卫组织１０Ｈｇ／ｍ３的空逡逑气质量标准；从１９９８到２０１２年，以中国为主的东亚地区人口加权ＰＭ２．邋５浓度年逡逑均增长１．６３＾＾／0１３，增长幅度年均达到３．２％，是全球？》１２．５浓度上升最快的地区逡逑（Ｖａｎ邋Ｄｏｎｋｅｌａａｒ，邋Ａ，邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１４）。大气污染对全球／区域气候环境影响显著逡逑（Ｈａｙｗｏｏｄ，邋Ｊ邋ａｎｄ邋Ｂｏｕｃｈｅｒ，邋２０００；邋Ｋａｕｆｍａｎ，邋Ｙ邋Ｊ，邋ｅｔ邋ａｌ．，２００２；邋Ｓｔｏｃｋｅｒ，逡逑Ｔ，邋２０１４），与公众身体健康、公共交通安全等社会问题密切相关（Ｍｕｅｌｌｅｒ，邋Ａ邋Ｓ逡逑ａｎｄ邋Ｔｒｉｃｋ

空间分布,反演,产品,大气污染

漠等高反射率地表（简称为“亮地表”）。虽然Ｍ０ＤＩＳＡ０Ｄ产品在地表覆盖、空间逡逑分辨率、产品精度等方面取得持续进步，然而在应用于城市尺度大气污染研宄时逡逑仍存在不少关键问题。以本论文研究区域一中国中部最大城市武汉为例（见图１＿逡逑２），ＭＯＤＩＳ邋１０ＫＭＤＴ和ＤＢＡ０Ｄ产品在该地区仅覆盖有１５Ｘ１５象元，显然不足以逡逑充分反映该城市大气污染空间分布状况；虽然ＤＴ邋３ＫＭ邋Ａ０Ｄ产品象元数增加到了逡逑４８Ｘ４８，但ＤＴ产品受制于暗地表而在城市核心区域缺乏有效反演结果。此外，逡逑对于对现有高分辨率气溶胶产品ＭＯＤＩＳ邋３ＫＭ邋Ａ０Ｄ（Ｍｕｎｃｈａｋ，邋Ｌ邋Ａ，ｅｔ邋ａｌ．，２０１３）逡逑和邋ＶＩＩＲＳ邋７５０Ｍ邋Ａ０Ｄ（Ｈｕａｎｇ，Ｊ，ｅｔ邋ａｌ．，２０１６；邋Ｗａｎｇ，邋Ｗ，邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１７）的验证结逡逑果均表明，ＡＯＤ产品在空间分辨率上的提升会显著增加其在城市区域的反演误差。逡逑＾逦Ｖ；逦Ｂ邋ｓ邋ＤＴ邋ＩＭＷＡＯＯ逦Ｉ邋Ｘ邋＾邋ＭＩＯＫＭＡＯＯ逦ｉ邋ｌ邋－邋ＯＴ２ＫＭＡＯＯ逦＼逦■逡逑ｍｎ逦ｔｔｒｗｔ逦ｉｗｗ逦ｔｗｔ逦ｉｍ＊ｍ逦ｎｆｔｔ逦ｉｍｗｉ逦ｔｍｎ逦ｗｎ逡逑ＡＯＤ逡逑Ｏ邋０１邋０２邋０．３邋０４邋０Ｓ０６邋０７邋０６邋０９，０邋１５邋２０邋２５邋３０邋４０邋５０逡逑图１－２邋２０１４年６月７日武汉地区３种ＭＯＤＩＳ邋ＡＯＤ产品反演结果逡逑大气污染具有较强的时空变异性，因此对城市尺度大气污染的监测需要高时逡逑空分辨率气溶胶产品支持；而现有气溶胶反演算法及产品体系对于支撑中国城市逡逑区域大气污染分析应用还存在明显不足。中国于２０１３年４月发射成功的高分一逡逑号卫星

空间分布,气溶胶光学厚度,产品应用,站点

中高分辨遥感数据的气溶胶光学厚度反演研宄得还不够；由于中国境内地面气溶逡逑胶观测站点数量有限，现有站点大部分集中在京津冀、长三角、珠三角等经济发逡逑达地区（见图１－３所示），对于国内大部分区域气溶胶特性的研宄有待深入。有逡逑鉴于此，本研宄选取高分一号卫星数据作为主要遥感数据源，结合长时间气溶胶逡逑地面观测数据，发展针对复杂城市区域的高时空分辨率气溶胶光学厚度反演算法，逡逑为推动国产卫星传感器数据在大气环境监测领域的应用提供一个良好示范。逡逑图１－３中国大陆区域现有ＡＥＲＯＮＥＴ站点空间分布逡逑１．３气溶胶光学厚度产品应用研宄进展逡逑８逡逑

【参考文献】